預應力對抗滑樁樁身內力的影響研究

張新宇

摘 要：近年來，巖土力學的模擬試驗中多采用顆粒流軟件，本文基于PFC2D模型建立抗滑樁工程實例設計參數(shù)建立樁后垂直截面預應力與樁土相互作用的顆粒流模型。通過對比普通懸臂樁與預應力錨索抗滑樁的受力形態(tài)，分析施加預應力對樁身內力的影響。從微觀的角度揭示預應力錨索抗滑樁與普通抗滑樁受力形式及樁土相互作用的不同，進一步探索預應力錨索抗滑樁的加固機理。

關鍵詞：預應力;抗滑樁;數(shù)值模擬

1、前言

預應力錨索抗滑樁作為一種實用有效的支擋工程措施已在地質災害治理中得到廣泛的應用。在當前地質災害治理中以及一些基礎設施建設中，例如修筑鐵路、公路、水利設施等，都大量采用了這種技術。然而，其設計與計算方法仍然是一個亟待深入研究的課題。這種技術是在抗滑樁的基礎上發(fā)展起來的.相對于普通抗滑樁，其受力狀態(tài)更加合理。普通抗滑樁的受力模式與懸臂梁十分相似，所計算得到的樁身彎矩和剪力往往很大，因此普通抗滑樁的截面尺寸也相當大。對于巖質滑坡或土層厚度大而不是填方邊坡等水平荷載大的治理工程，采用預應力錨索抗滑樁組合結構治理合適。因為它不僅充分發(fā)揮抗滑樁能提供較大水平抗力，而且預應力錨索既能提供所需的水平預拉力，又比較經濟適用。預應力錨索抗滑樁是一種新型的支擋結構，它實現(xiàn)了小截面、大高度、輕型化的支擋結構。這種支擋結構可以實現(xiàn)抗滑樁、預應力錨索與巖土體相互作用和變形協(xié)調。

本文基于抗滑樁工程實例設計參數(shù)建立樁后垂直截面預應力與樁土相互作用的顆粒流模型。設計潛在滑動面及滑坡土體，并在滑坡體前側布置抗滑樁，在重力場的作用下，模擬滑坡土體沿潛在滑動面向下蠕動的過程，觀察土顆粒的移動，并在抗滑樁樁身及附近布置測量圓，監(jiān)測應力場的變化，分析抗滑樁抵抗滑坡推力作用的過程。

2、建立模型

本文結合工程實例中滑坡尺寸及抗滑樁設計參數(shù)對試驗模型進行設計。滑坡尺寸及抗滑樁工程實例參數(shù)取值為：滑坡體寬30米，潛在滑動面埋深15米，設計樁長21米，樁身錨固深度6米，抗滑樁截面設計尺寸1.5×2.0米。顆粒流模型設計參數(shù)取值為：滑坡體寬為5米，潛在滑動面埋深2.5米，與水平面夾角26°，設計樁長3.5米，抗滑樁錨固深度1米，樁體沿滑坡方向寬度為0.5米，預應力作用位置為距樁頂0.5米處，滑動面墻體摩擦系數(shù)為0，法向剛度和剪切剛度均為6e7N/m，抗滑樁摩擦系數(shù)取1，砂顆粒為0.6。運行模型達到平衡狀態(tài)，將測量圓設置在抗滑樁靠近土體一側。

本模型取抗滑樁后側單位厚度土體作為研究對象，假設土顆粒僅受到此截面方向力的作用，忽略沿樁橫向土顆粒的相互作用。首先，建立潛在滑動面及滑坡體周圍墻體，生成滑坡土體，運行達到最初平衡狀態(tài)。之后，施加重力場，使滑坡土顆粒在重力的作用下逐漸沿潛在滑動面向下蠕動，滑坡體達到模擬狀態(tài)。最后，在滑坡土體后面建立抗滑樁，并在底部錨固。刪除多余的邊界墻，繼續(xù)施加重力場，使滑坡土體下滑力逐漸作用于抗滑樁上。在距樁頂0.5米處施加預應力限制樁頂位移，模擬兩種抗滑樁的受力形式。同時，在抗滑樁樁身及附近土體中布置測量圓，監(jiān)測樁身內力及土顆粒間應力值。數(shù)值模型運行達到抗滑樁發(fā)揮抗滑作用，滑坡土體與抗滑樁達到平衡，位移接近于零。

3、數(shù)值計算結果分析

3.1 預應力對樁身接觸力的影響結果分析

在同一滑坡體作用下，且抗滑樁的強度剛度保持不變，來模擬懸臂樁和預應力錨索樁的抗滑過程。模擬結果表明：普通抗滑樁靠近土一側樁身受拉，而遠離土體一側樁身受壓;預應力錨索抗滑樁在錨固段抗滑樁內側受拉外側受壓，而在自由段內側受壓外側受拉。

普通的懸臂樁在滑坡土體的作用下，靠近滑坡體的一側產生拉力，且在錨固段位置拉力最大;而在遠離滑坡體的一側產生壓力，最大壓力區(qū)也是出現(xiàn)在錨固段位置。另外，樁身底端接觸力較小，抗滑樁比較穩(wěn)定，樁身上部接觸力雖然也比較小，但是位移很大。

預應力錨索抗滑樁拉壓區(qū)并不在同一側，而是交替出現(xiàn)，拉力區(qū)出現(xiàn)在抗滑樁錨固段上部遠離滑坡體的一側和錨固段下部靠近滑坡體的一側，壓力區(qū)正好相反。并且，抗滑樁位移較小，抗滑樁受力更加均衡，比普通抗滑樁更加穩(wěn)定，抗滑效果更好。

3.2預應力對樁身y向應力的影響結果分析

是普通抗滑樁和預應力錨索抗滑樁樁身兩排測量圓的y向應力曲線圖。觀察兩種抗滑樁的y向應力曲線可知，普通抗滑樁從樁身后側y向應力可以看出，樁身后側y向應力基本均為正值，以受拉區(qū)為主。整體y向應力在抗滑樁錨固段最頂部位置達到峰值。從樁身前側y向應力可以看出，樁身前側y向應力均為負值，均為受壓區(qū)。整體y向應力在樁身錨固段頂部0.2米處達到峰值。對比樁身前后側y向應力可以看出，普通抗滑樁受力較為簡單，樁身危險截面在錨固段頂部位置，樁身前側受壓區(qū)受力更大，且位置略高于錨固段頂部。預應力錨索抗滑樁樁身前后側y向應力均出現(xiàn)三個峰值點，三個峰值點的位置基本一致。在樁身錨固段頂部出現(xiàn)一個峰值點，此處樁身后側受拉前側受壓;在施加預應力處出現(xiàn)一個小的峰值點，此處樁身后側受拉前側受壓;在樁身y向的中間位置也出現(xiàn)一個峰值點，此處樁身后側受壓前側受拉。樁身后側受壓區(qū)與受拉區(qū)的峰值大小基本相同，而樁身前側受拉區(qū)峰值要大于受壓區(qū)峰值。樁身最危險截面在抗滑樁長度方向的中間位置。

3.3預應力對樁身土顆粒的影響結果分析

普通抗滑樁樁后土顆粒剪應力均為正值，土顆粒均沿一個方向發(fā)生轉動，且沿樁深度方向，剪應力呈逐漸增大的趨勢;預應力錨索抗滑樁樁后土顆粒剪應力出現(xiàn)正負交錯的現(xiàn)象，樁后土顆粒沿兩個方向發(fā)生轉動，在滑坡土體中間位置出現(xiàn)剪應力方向的改變。對比分析土顆粒剪應力變化可知，預應力錨索抗滑樁樁后土顆粒之間的作用更為復雜，預應力的施加會改變樁后土顆粒的旋轉方向，土顆粒會出現(xiàn)相互嵌擠，發(fā)生相對轉動的現(xiàn)象，這同樣也是抗滑樁抵抗滑坡土體向下蠕動作用的結果。對比y向曲線圖可以看出，兩種抗滑樁樁后土顆粒y向應力沿樁深度方向的變化趨勢大致相同。預應力錨索抗滑樁樁后上部土顆粒的y向應力大于普通抗滑樁的樁后上部土顆粒，并且隨著時步的變化，y向應力的波動也較小，表明預應力錨索抗滑樁錨固段以上土顆粒的穩(wěn)定性更好。

4、結語

本文通過PFC2D軟件模擬分析了預應力對抗滑樁樁身內力的影響，發(fā)現(xiàn)預應力錨索抗滑樁具有結構受力更加合理、抗滑能力更強的優(yōu)點，這在滑坡的支擋以及邊坡加固中具有非常重要的實踐意義。

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